Simulovaný obvod EKG: 7 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Elektrokardiogram je běžný test používaný jak při standardních vyšetřeních, tak při diagnostice závažných onemocnění. Toto zařízení, známé jako EKG, měří elektrické signály v těle zodpovědné za regulaci srdečního tepu. Test se provádí aplikací elektrod na kůži subjektu a pozorováním výstupu, který má formu známého zobrazeného průběhu EKG. Tato vlna obsahuje vlnu P, komplex QRS a vlnu T, z nichž každá představuje fyziologickou odpověď. Tato příručka provede kroky simulace EKG v softwaru pro simulaci obvodů.

Zásoby:

LTSpice nebo podobný simulátor obvodu

Krok 1: Sestavte přístrojový zesilovač

Účelem přístrojového zesilovače je zesílení velmi malého signálu, který je často obklopen vysokou úrovní šumu. Napětí vstupního signálu do EMG je typicky mezi 1 mV až 5 mV a účelem této fáze je zesílení tohoto signálu se ziskem přibližně 1000. Znázorněno ve schématu, zisk může být řízen následující rovnicí, kde R1 = R2, R4 = R5 a R6 = R7:

Zisk = K1*K2, kde K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Zisk byl tedy nastaven na rovných 1000, takže K1 a K2 jsou přibližně 31,6. Některé odpory lze zvolit libovolně a jiné vypočítat, pokud je rovnice zisku splněna na hodnotu 1000. Ve fyzickém obvodu by elektrody přešly do operačních zesilovačů, ale pro účely simulace je jeden uzemněn a druhý je používán k označení potenciální rozdíl. Uzel Vin bude později použit k simulaci vstupních vln. Uzel Vout vede k další fázi EKG. Byl zvolen operační zesilovač LTC1151, který je umístěn v knihovně LTSpice, má vysokou CMRR a byl použit v lékařské instrumentaci. V tomto systému by fungoval jakýkoli základní operační zesilovač s napájecím napětím +15V a -15V.

Krok 2: Vytvořte zářezový filtr

Další fází EKG je zářezový filtr pro odfiltrování rušení elektrického vedení, ke kterému dochází při frekvenci 60 Hz. Zářezový filtr funguje tak, že odstraní malý rozsah signálů, které se vyskytují velmi blízko singulární frekvenci. Proto pomocí mezní frekvence 60 Hz a rovnice mezní frekvence lze zvolit vhodné odpory a kondenzátory. Pomocí výše uvedeného schématu a s poznámkou, že C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 a R8 = R9 = 2*R10, lze hodnoty kondenzátoru zvolit libovolně (příklad ukazuje zvolený kondenzátor 1uF). Pomocí následující rovnice lze vypočítat a použít v této fázi příslušné hodnoty odporu:

fc = 1/(4*pi*R*C)

Uzel Vin je výstup ze zesilovače instrumentace a uzel Vout vede do další fáze.

Krok 3: Vytvořte pásmový filtr

Poslední fáze systému se skládá z aktivního pásmového filtru pro odstranění šumu nad a pod určitým rozsahem frekvencí. Základní procházení, způsobené základním signálem měnícím se v čase, se vyskytuje pod 0,6 Hz a EMG šum, způsobený přítomností svalového šumu, se vyskytuje při frekvencích nad 100 Hz. Proto jsou tato čísla nastavena jako mezní frekvence. Pásmový filtr se skládá z nízkoprůchodového filtru, za nímž následuje horní propust. Oba filtry však mají stejnou mezní frekvenci:

Fc = 1/(2*pi*R*C)

Použitím 1uF jako libovolné hodnoty kondenzátoru a 0,6 a 100 jako mezních frekvencí byly hodnoty odporu vypočteny pro příslušné části filtru. Uzel Vin pochází z výstupu zářezového filtru a uzel Vout je místem, kde bude měřen simulovaný výstup celého systému. Ve fyzickém systému by se tento výstup připojil k osciloskopu nebo podobnému zobrazovacímu zařízení a zobrazoval vlny EKG v reálném čase.

Krok 4: Otestujte přístrojový zesilovač

Dále bude testován přístrojový zesilovač, aby bylo zajištěno, že poskytuje zisk 1000. K tomu zadejte sinusovou vlnu s libovolnou frekvencí a amplitudou. Tento příklad použil amplitudu píku 2 mV k vrcholu vlny EMG a frekvenci 1000 Hz. Simulujte přístrojový zesilovač v softwaru pro simulaci obvodů a vykreslete vstupní a výstupní průběhy. Pomocí funkce kurzoru zaznamenejte vstupní a výstupní veličiny a vypočítejte zisk pomocí Gain = Vout/Vin. Pokud je tento zisk přibližně 1000, tato fáze funguje správně. V této fázi lze provést další statistickou analýzu s přihlédnutím k tolerancím odporů a změnou hodnot odporu o +5% a -5%, abychom zjistili, jak ovlivňuje výstupní vlnu a následný zisk.

Krok 5: Otestujte filtr Notch

Otestujte zářezový filtr provedením rozmítání AC z rozsahu, který obsahuje 60 Hz. V tomto příkladu došlo k rozmítání od 1 Hz do 200 Hz. Výsledný graf, měřený v uzlu Vout, vytvoří graf zesílení v dB vs. frekvence v Hz. Graf by měl začínat a končit zesílením 0 dB na frekvencích vzdálených od 60 Hz v obou směrech a velký pokles zesílení by se měl objevit na nebo velmi blízko 60 Hz. To ukazuje, že signály, které se vyskytují na této frekvenci, jsou z požadovaného signálu řádně odstraněny. V této fázi lze provést další statistickou analýzu s přihlédnutím k tolerancím odporů a úpravou hodnot odporu a kondenzátoru o +5% a -5%, abychom zjistili, jak ovlivňuje experimentální mezní frekvenci (frekvenci, která graficky zažívá největší útlum).

Krok 6: Otestujte pásmový filtr

Nakonec otestujte pásmový filtr provedením další analýzy rozmítání střídavého proudu. Tentokrát by měl být tah od frekvence menší než 0,6 a větší než 100, aby bylo zajištěno, že pásmovou propust lze vidět graficky. Znovu spusťte analýzu měřením v uzlu Vout zobrazeném ve schématu. Výstup by měl vypadat jako na obrázku výše, kde je zesílení záporné dále od 0,6-100Hz rozsahu. Body, ve kterých je zesílení -3 dB, by měly být 0,6 a 100 Hz, nebo hodnoty velmi blízké těm pro první a druhý bod. Body -3dB znamenají, když je signál zeslaben do bodu, kde bude výstup na těchto frekvencích poloviční oproti původnímu výkonu. Body -3 dB se proto používají k analýze útlumu signálů pro filtry. Pokud se body -3 dB na výstupním grafu shodují s pásmovým rozsahem, fáze funguje správně.

V této fázi lze provést další statistickou analýzu s přihlédnutím k tolerancím odporů a změnou hodnot odporu a kondenzátoru o +5% a -5%, abychom zjistili, jak ovlivňuje obě experimentální mezní frekvence.

Krok 7: Sestavte kompletní systém EKG

Nakonec, když se potvrdí, že všechny tři fáze fungují správně, spojte všechny tři fáze EKG dohromady a konečný výsledek je hotov. Do stupně zesilovače přístrojového vybavení lze vložit simulovanou vlnu EKG a výstupní vlna by měla být zesílenou vlnou EKG.